CW32 电机控制：无刷直流电机换相控制的关键技术

在电机控制领域，无刷直流电机凭借其高效、可靠等优势，得到了广泛应用。与有刷直流电机相比，无刷直流电机除使用电子换相器取代有刷直流电机电刷机械换向，使用永磁体产生转子磁场外，从结构和工作原理上都和有刷直流电机相类似，故其控制策略也和有刷直流电机类似。

本文将重点围绕 CW32 MCU 控制驱动的无刷直流电机，详细讲解其换相控制、调压控制、无感 BLDC 转子位置检测、无感启动策略、PID 控制原理、速度调节等相关技术。

1.六步梯形换相

本文对无刷直流电机的控制都是基于六步梯形控制法。在Y型连接的BLDC 电机中，如图1所示，电机具有三条引线，每条引线与一个绕组相连。每个绕组（或串联绕组）与一个公共点相连，该公共点为所有三个绕组共同使用。在图1中，R为定义为红色，G定义为绿色，B定义为蓝色。

图 1 :Y 型 BLDC 电机原理图

一个简单的 BLDC 电机的基本构造如图 2 所示。电机外层是定子，包含电机绕组。电机内部是转子，转子由围绕电机圆周的极性相反的磁极组成，图 2 显示了仅带有两个磁极（南北磁极）的转子。在实际应用中，大多数电机的转子具有多对磁极。

当电流流过电机绕组时电机起动，如图 2 中的箭头所示。在该示例中，红色（R）引线上施加了正电势，而绿色（G）引线上施加了反电势。在这种情况下给电机绕组充电会在定子上产生磁场，由 N 和 S 标记指示。然后转子旋转，以使转子的北磁极与定子磁场的南磁极对齐。同样的，转子的南磁极与定子磁场的北磁极对齐。

图 2 :BLDC 电机基本构造

图 3 说明了六步换相的工作原理。每一步或每一区间，相当于 60 个电角度。六个区间组成了 360 个电角度或一次电气旋转。绕组图中的箭头显示了在每一步中流过电机绕组的电流方向。图中显示了在六步换相期间每个电机引线上施加的电势。六步换相序列使电机进行了一次电气旋转。

图 3: 六步换相电流流向

图 4: 六步换相加电顺序

六步换相步骤如下：

①.给红色绕组加正电。给绿色绕组加负电。蓝色绕组未通电。

②.给红色绕组加正电。给蓝色绕组加负电。绿色绕组未通电。

③.给绿色绕组加正电。给蓝色绕组加负电。红色绕组未通电。

④.给绿色绕组加正电。给红色绕组加负电。蓝色绕组未通电。

⑤.给蓝色绕组加正电。给红色绕组加负电。绿色绕组未通电。

⑥.给蓝色绕组加正电。给绿色绕组加负电。红色绕组未通电。

每一区间上都有两个绕组通电，一个绕组未通电。每一区间均有一个绕组未通电，是六步控制的重要特征。六步循环加电，可完成电机按指定方向旋转。需要注意的是，要保持定子中的磁场超前于转子磁场，那么一区间到另一区间的转变必须发生在转子处于特定位置的时刻，从而获得最佳转矩。

2.BLDC 换相电路

普通直流电动机的电枢在转子上，由定子产生静止恒磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中的电流方向，使定、转子两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。

无刷直流电机为了取消电刷，将电枢绕组移至定子上，而转子由永磁体构成。为了使电机转子旋转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地依次换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置不断变化，使定子磁场和转子永磁磁场始终保持约90°的空间角，产生转矩推动转子旋转。三相电机换相电路如图5所示。

图 5 :BLDC 换相电路

如图 5 所示，T1~T6 为功率开关器件。此开关器件在低压电机电路中多采用 MOSFET 器件，而在高压电机（> 100V）应用中，IGBT 和高压碳化硅则较为广泛。此 BLDC 换相电路也称逆变电路。通过控制此六个开关管的开关顺序可实现的不同绕组加电，完成六步换相要求。当开关管 T1 和 T4 导通，其它开关管截止时，电流将从绕组 A 端流入 B 端流出；当开关管 T1、T6 导通，其它开关管截止时，电流将从绕组 A 端流入 C 端流出；当 T3，T6 导通，其它开关管截止时，电流将从绕组 B 端注入 C 端流出；以此类推，可按要求实现不同绕组加电，当 T5、T4 导通，其它开关管截止时，电流将从绕组 C 端注入 B 端流出。其中，任意时刻不能上下管同时导通，即，不能 T1 和 T2 同时导通、不能 T3 和 T4 同时导通，不能 T5 和 T6 同时导通。

3.有感 BLDC 换相控制逻辑

不同绕组的通电切换，必须在转子转到相应位置时进行，即换相须准确及时的进行。换相控制是保证无刷直流电机正常旋转的基础。有霍尔传感器的无刷直流电机中，一般安装3个霍尔传感器中，间隔60°和120°按圆周分布。如果间隔60°，则输出波形相差60°电角度。如果间隔120°，则3个霍尔传感器的输出波形相差120°电角度，输出信号中高、低电平各占180°电角度。

以120°霍尔式位置传感器为例，三相无刷直流电机反电势和传感器输出信号间相位关系见图6。

图 6 :BLDC 反电势和传感器信号

图 6 中，HALL - a、HALL - b、HALL - c 为三个霍尔传感器在电机运转中的波形。EMF - a、EMF - b、EMF - c 为电机反电势电压波形。由图可知，无刷直流电机反电势为正负半波皆有 120° 平台的梯形波，三相间相差为 120°；3 个位置传感器（电角度间距 120° 传感器）相差为 120°，其上升或下降沿位置即对应定子电枢绕组导通时刻。如此，可通过对霍尔传感器信号的检测，经由功率 MOSFET 或 IGBT 功率开关器件构成的电子换相电路实现换相，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的旋转，位置传感器输出信号不断变化，电枢绕组的通电状态随之改变，使得在某一磁极下导体的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的无接触换相过程。

具体的换相控制方式有 2 种：二二导通方式和三三导通方式。

(1).二二导通方式

二二导通方式是每次使 2 个开关管同时导通。以图 5 - 5 为例，其导通顺序有：T1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4，共有 6 种导通状态，每隔 60° 改变一次导通状态，每次改变仅切换一个开关管，每个开关管连续导通 120°。当 T1、T4 导通时，电流流通的方向：电源（+）→T1→A 相绕组→B 相绕组→T4→地。设电流流入绕组产生的转矩为正，流出绕组产生的转矩为负，则合成转矩大小为 T14 = √3T，(TA = TB = TC) 方向在 TA 与 TB 的角平分线上。无刷电机正反转与开关管开关状态及传感器信号间关系如图 7 所示。

图 7 :120°HALL 无刷电机正反转换相

由图可知二二导通方式换相控制真值表如表 1 所示。

图 8 为一 60°HALL 安装的电机。其极对数为 2，极数为 4 极，3 个霍尔传感器间隔 60° 按圆周分布。因为极对数为 2，所以一个机械周期含 2 机电角度周期。在应用中，按图所示的 HALL 信号状态进行绕组换相即可。即当 HALL ABC 状态为 001、000、100、110、111、011 时，绕组通电顺序分别为：A + C -、A + B -、C + B -、C + A -、B + A -、B + C -。若使电机按反方向运转动，只需将绕组电流按反向通电即可。即反向控制时，当 HALL ABC 状态为 001、000、100、110、111、011 时，绕组通电顺序分别为：C + A -、B + A -、B + C -、A + C -、A + B -、C + B -。

图 8 :60°HALL 无刷电机换相

(2).三三导通方式

三三导通方式是每次使 3 个开关管同时导通，有：T1、T5、T4→T1、T4、T6→T1、T3、T6→T3、T6、T2→T3、T5、T2→T5、T2、T4 共 6 种导通状态，每隔 60° 改变一次导通状态，每次仅切换一个开关管，但是每个开关管连续导通 180°。合成转矩大小为 T154 = 1.5TB，TB 方向。

二二导通方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，使得电机的出力大，电磁转矩比三三导通方式大、且转矩平稳性好。如不加特别说明，后续三相 H 桥的导通控制方式皆指二二导通方式。二二导通方式在每组绕组导通区间均有另外一个绕组未通电，所以二二导通方式也是六步换相控制方式。在 CW32 生态社区开源的众多无刷电机控制 DEMO 例程中，很好的体现了本文所述的诸多控制方式。通过对这些技术的深入理解和应用，能够更好地实现无刷直流电机的高效、稳定控制，满足不同应用场景的需求。